熱壓罐溫度均勻性仿真及實驗對比

于廣鋒，郄 方，高大山，端木兵雷

（中航工程集成設備有限公司，北京 102206）

熱壓罐是利用高溫高壓氣體制造復合材料的設備[1]。復合材料在熱壓罐內受到高溫高壓固化成型，可以降低孔隙率，改進力學性能，提高產品穩定性[2]。對復合材料成型質量的影響因素有熱壓罐溫度場均勻性、升降溫速率、產品配方、模具的導熱性能等。

熱壓罐運行能源消耗大，運行成本高，因此提高產品經濟性、降低能耗是熱壓罐產品追求的目標之一。合適的加熱、冷卻功率應該既能滿足復合材料溫度場需求，又沒有過多的冗余量。近年來，在國內外相關研究中，針對復合材料成型所需的熱壓罐工藝及框架模具對溫度均勻性的研究較多。主要采用理論-半理論公式計算[3-5]和CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）計算[6-11]兩種方法。理論-半理論公式利用流動與傳熱理論模及經驗公式可以快速獲得平均溫度計算結果，但無法得到詳細的溫度場均勻性結果；而CFD方法可以預測熱壓罐工作區域的溫度均勻性，但是熱壓罐內部結構復雜，進行三維CFD計算需要花費較多計算機資源和計算時間。隨著工程應用的復合材料構件尺寸越來越大、結構越來越復雜，熱壓罐長度和直徑隨之增大，大型熱壓罐內溫度場和流場均勻性要求也越來越高，對熱壓罐設備本身的結構設計提出了新的挑戰[12]。因此，需要一種快速并且可視化的計算模型用于熱壓罐的結構改進和參數優化設計。文章通過建立簡化的二維軸對稱CFD模型，快速求解熱壓罐流場和溫度場，并對比CFD計算結果與實驗結果，主要研究熱壓罐溫度均勻性和升降溫速率，計算模型應用于Φ5.5m×12m（直徑5.5m，工作區域長度為12m）和Φ5m×6m兩種熱壓罐。

1 CFD計算模型

1.1 簡化和假設

采用二維軸對稱模型簡化，在結構方案階段可以快速獲得計算結果，指導結構設計的改進和優化的方向。簡化和假設如下：（1）由于熱壓罐體結構主要為圓筒狀，因此需要進行二維軸對稱計算。（2）將罐殼體和保溫層的導熱系數采用當量傳熱系數處理。（3）計算空罐（不含模具及復合材料產品）的流場和溫度場均勻性。（4）考慮風機進口和出口對流場和溫度場的影響，忽略風機內部結構，使用UDF（用戶自定義函數）計算風機入口（計算域出口）平均溫度賦值給風機出口（計算域入口）。熱壓罐結構簡化計算模型示意圖如圖1所示。

圖1 熱壓罐結構簡化計算模型示意圖

1.2 控制方程

二維軸對稱數值模擬模型控制方程如下：

（1）質量守恒方程：

式中：x為軸向坐標；r為徑向坐標；vx為軸向速度；vr為徑向速度。

（2）動量守恒方程：

（3）能量方程：

式中：λt為湍流導熱系數；Qv為體熱源，W/m3。

1.3 邊界條件

分別計算Φ5m×6m（直徑5m，工作區域長度為6m）的熱壓罐和Φ5.5m×12m熱壓罐的溫度均勻性。空氣采用不可壓完全氣體模型，Φ5m×6m熱壓罐流體區域表壓力為1.2MPa，絕對壓力為1.3MPa，Φ5.5m×12m熱壓罐流體區域表壓力為310kPa。罐殼體外部為自然對流邊界，環境溫度為25℃。材料熱物理參數如表1所示。根據表1中的材料熱物理參數采用一維導熱模型計算得出罐殼體的當量傳熱換熱系數為0.5 W/（m2·K）。加熱器采用多孔介質模型，孔隙率為0.9。換熱器區域為多孔介質模型，厚度為730mm，慣性阻力系數C2＝10，孔隙率為0.5。工作區域平均風速為0.8～1.2m/s。根據質量守恒計算得出風機入口速度作為速度邊界。

表1 材料熱物理參數表

1.4 計算網格

計算網格如圖2所示。網格類型為二維結構化四邊形網格，網格數量分別為1.2萬格和2.6萬格，已相對于熱壓罐軸線對稱顯示。

圖2 計算網格

1.5 計算設置

計算設置為k-ε湍流模型，標準壁面函數，運用SIMPLEC算法，一階精度。進行非穩態計算，構建軸對稱模型。

2 計算結果與實驗對比驗證

Φ5.5m×12m熱壓罐溫度傳感器布置如圖3所示。其共有測溫點60個，分為12組均勻布置。根據波音公司的標準BAC 5621，產品負載容積小于工作區容積10%時，可以空載進行均勻性測量。

測溫點平均溫度隨時間變化曲線如圖4所示。由圖4可知，Φ5.5m×12m熱壓罐升溫曲線為階梯形，即以一定速率升溫之后進行保溫，然后繼續升溫。Φ5m×6m熱壓罐經過幾次升溫和保溫之后再降溫，升降溫過程中罐內壓力恒定。

實驗測量點升溫速率如圖5所示。Φ5.5m×12m熱壓罐從常溫升溫至250℃全過程溫度變化速率為-0.6～5.2℃/min，保溫階段的溫度變化速率小于±0.2℃/min。Φ5m×6m熱壓罐從常溫升溫至250℃后降溫至131℃全過程溫度變化速率為-14～7℃/min，保溫階段的溫度變化速率小于±1℃/min。兩個熱壓罐的溫度控制精度良好。

圖3 Φ5.5m×12m熱壓罐測溫點示意圖

圖4 實驗測量點平均溫度變化曲線

圖5 實驗測量點平均溫度變化速率曲線

圖6 實驗測量點溫度偏差

從圖5、圖6可以看出，溫度均勻性與升溫速率具有強烈的相關性，升溫越快，溫度均勻性越差；保溫階段的溫度均勻性最好。由于保溫階段的溫度均勻性很好，可以滿足設備使用需求，因此文章CFD計算未考慮保溫階段，僅對比研究溫度場均勻較差的動態升溫和降溫過程。為了與CFD模擬進行對比，去掉了實驗曲線的保溫過程，并平移時間軸，使實驗曲線變為連續曲線。去掉保溫階段之后的溫度變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，實驗結果與CFD計算結果溫度變化相差不大，驗證了文章計算方法的合理性。

圖7 工作區域平均溫度變化（不計保溫階段）

溫度變化速率（不計保溫階段）對比結果如圖8所示。由圖8所示，Φ5.5m×12m熱壓罐的CFD計算結果溫度變化速率基本穩定在4℃/min，實驗結果曲線溫度變化速率為1.0～5.2℃/min。Φ5m×6m熱壓罐的CFD計算結果溫度變化速率基本穩定在3℃/min，實驗結果曲溫度變化速率為-14～7℃/min。

圖8 工作區域溫度變化速率(不計保溫階段)

工作區域溫度偏差（不計保溫階段）對比結果如圖9所示。Φ5.5m×12m熱壓罐CFD計算結果溫度偏差為-1.0～1.0℃，實驗結果溫度偏差為-6.2～6.2℃。Φ5m×6m熱壓罐CFD計算結果溫度偏差為-1.4～1.4℃，實驗結果溫度偏差為-5.6～5.6℃。

圖9 工作區域溫度偏差結果對比(不計保溫階段)

Φ5.5m×12m熱壓罐t=50min溫度云圖CFD結果如圖10所示。由圖10可以看出工作區域溫度很均勻。

圖10 Φ5.5m×12m熱壓罐t=50min溫度云圖CFD結果（單位：℃）

Φ5m×6m熱壓罐t=80min溫度云圖CFD結果如圖11所示。由圖11可以看出工作區域溫度很均勻。

圖11 Φ5m×6m熱壓罐t=80min溫度云圖CFD結果（單位：℃）

3 結論

文章對熱壓罐系統速度場和溫度場進行數值模擬，得出了以下結論，為優化熱壓罐結構設計和系統參數選擇提供了技術支持。

（1）Φ5.5m×12m熱壓罐CFD計算溫度變化率為4℃/min，實驗結果為1.0～5.2℃/min；Φ5m×6m熱壓罐CFD計算溫度變化速率為3℃/min，實驗結果為-14～7℃/min。Φ5.5m×12m熱壓罐CFD溫度偏差小于±1℃，實驗結果為-6.2～6.2℃；Φ5m×6m熱壓罐CFD溫度偏差小于±1.4℃/min，實驗結果為-5.6～5.6℃。

（2）Φ5m×6m熱壓罐的溫度均勻性好于Φ5.5m×12m熱壓罐的溫度均勻性。Φ5m×6m熱壓罐長徑比值為1.2，而Φ5.5m×12m熱壓罐長徑比值為2.2。大長徑比熱壓罐的加熱器距離流場中心的相對距離更遠，因此采用相同結構布置的熱壓罐，大長徑比熱壓罐溫度均勻性較差。

（3）長徑比數值較大的熱壓罐一般采用冷卻器和加熱器布置于熱壓罐尾部的結構。長徑比數值較小的熱壓罐，由于溫度均勻性控制較容易，因此冷卻器和加熱器布置方式較靈活，除了采用經典的冷卻器和加熱器布置于熱壓罐尾部的結構，還可以采用將冷卻器和加熱器放置于地板下方的方式，縮短罐體長度。對于熱壓罐軸線，冷卻器和加熱器為非對稱布置，因此熱壓罐結構有必要采用整流網，以此增強流場與溫度場的均勻性。

（4）為改進罐內溫度均勻性，可以減小升溫速率或采用階梯形升溫曲線。以較小的升溫速率，升溫后進行保溫，待產品溫度均勻之后再繼續升溫。